离子阱已被广泛应用于科学技术研究的各个领域。尤其离子阱技术为量子计算和量子通信等一些具有诱人应用前景的理论研究提供了实验支持。自1995年Cirac和Zoller提出了囚禁离子量子计算方案以来，基于囚禁离子的量子信息处理的理论研究和实验探索取得了惊人的成就。利用囚禁离子与光场的相互作用，实验物理学家可以精确地操控囚禁离子的内部电子态和振动量子态，为可控条件下进行量子计算、量子通信等方面的研究提供了可靠的理论和实验基础。本文主要研究了多个囚禁离子量子纠缠态的制备、未知量子态的量子隐形传送、囚禁离子系统的量子计算和囚禁离子系统非经典态的制备等。本文的主要创新成果如下：提出了一个简单制备三个热囚禁离子GHZ态的方案，并用这个GHZ态检验量子非定域性。再把此方案推广到N个热囚禁离子GHZ态的制备。本方案的显著特点是：对囚禁离子振动模的加热不敏感；不需要对单个离子进行激光操控，这一点对目前的量子信息实验实现是非常重要的；另外，本方案操作简单，在GHZ态的制备过程中只需一步就可完成。提出了在离子阱系统中进行未知单离子内态和未知两离子内纠缠态的量子隐形传送的有效方案，并把本方案推广到隐形传送N个离子的类电子纠缠GHZ态。本方案的显著特点是：对振动模的加热不敏感；通过对离子内态的测量可以精确区分四个Bell态以及其它的纠缠态；量子隐形传送的成功几率达到1。提出了在高Q腔中实现单个囚禁离子系统的基本两量子逻辑门方案。本方案可以实现不受兰姆-狄克参数限制的量子相位门、交换门和控制非门操作，其中量子相位门操作包括涉及腔模和囚禁离子振动模的两比特量子逻辑门操作、涉及腔模和囚禁离子内态的两比特量子逻辑门操作以及涉及囚禁离子内态和外态的两比特量子逻辑门操作。本方案既不受兰姆-狄克参数限制，也不需要辅助能级；腔模和囚禁离子振动模的两量子逻辑门操作对离子内态的自发辐射不敏感，囚禁离子内态和外态的两量子逻辑门操作对腔的衰减不敏感，这一特点对实现量子计算有非常重要的意义。另外详细分析了这些逻辑门操作在实验上的可行性。提出了在光学腔中制备单个囚禁离子振动模与腔场模的双模非经典态的有效方案，该方案可以制备SU(2)薛定谔猫态、纠缠相干态、和双模压缩真空态。该方案在强激发区域操作，因而操作速度大大提高。提出了一个快速制备N个囚禁离子集体运动的量子相干叠加态方案。方案中使用了单个驻波激光场与离子的载波共振。本方案的显著特点是：囚禁离子的数目原则上可以是任意整数，所需时间由激光强度决定。另外，只要照射到离子上的场是空间均匀的，本方案唯一依赖于离子数目N的参数是运用激光脉冲的时间。因此本方案适合于制备较大的囚禁离子介观量子叠加态，有助于在实验上研究退相干过程。